撰文 | 关越
责编 | Qi
蛋白在细胞间的表达存在异质性，很多新技术致力于解析异质性。基于成像技术的蛋白质组学可以在亚细胞定位水平检测出蛋白在细胞间表达和定位的差异。人类蛋白质图谱图像分类(Human Protein Atlas,HPAhttps://www.proteinatlas.org/) 通过利用抗体，免疫荧光和共聚焦显微镜技术在亚细胞水平定位蛋白。在HPA中，人类蛋白质组18%的蛋白表现出细胞间的异质性【1】。多数蛋白的异质性在多种细胞系中存在，因此可能存在一种保守的机制调控这种异质性。
具有有丝分裂能力的细胞生长过程是高度动态的，多种蛋白在细胞分裂周期中存在周期性变化。因此，细胞周期成为蛋白在细胞间存在异质性的原因之一。因此，在蛋白组学水平系统性研究细胞周期对蛋白异质性的贡献具有重要意义。
近日，来自瑞典皇家理工学院的Emma Lundberg团队在Nature杂志发表了题为Spatiotemporal dissection of the cell cycle with single-cell proteogenomics的文章。作者利用成像蛋白基因组技术（imaging proteogenomic approach），首次系统性在mRNA和蛋白水平上鉴定了细胞周期相关的异质性表达蛋白。
作者利用Imaging proteogenomic approach结合单细胞转录组测序，单细胞蛋白成像和荧光泛素化细胞周期指示剂 (fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicator, FUCCI)技术，工作流程如下（见图1）：
CDT1和GMNN这两种蛋白在细胞分裂周期中周期性表达和泛素化降解。FUCCI系统分别红色荧光蛋白RFP标记CDT1 ，绿色荧光蛋白GFP标记GMNN。在U2OS细胞中表达FUCCI，可以根据荧光颜色指示细胞周期。红色 (CDT1和RFP) 指示细胞处于G1期。绿色 (GMNN和GFP) 指示细胞处于S和G2期。而当细胞处于G1-S 期时，CDT1和GMNN均表达，因此细胞显示红色和绿色都阳性的黄色。
作者利用CRISPR-cas9技术将荧光mNG标记到内源蛋白，并且用抗体进行鉴定，获得成像蛋白质组学数据。这些数据和单细胞转录组数据用FUCCI的信号做拟时序（pseudotime）分析，从而在单细胞水平上把蛋白和mRNA的表达与细胞周期进行关联。
作者分析了在U2OS细胞中具有异质性表达的1180个蛋白，鉴定出了539个细胞周期相关蛋白，其中有301个蛋白之前未曾发现与细胞周期相关，一些蛋白可能具有癌基因的功能。在细胞周期相关的蛋白中，15%是在转录组水平受调控，而剩下的大部分蛋白可能通过转录后修饰等其他机制调控。细胞周期相关蛋白受控制细胞命运的CMGC家族等激酶调控。而非细胞周期相关的蛋白，主要受代谢相关的激酶调控。
总的来说，Emma Lundberg领导的Cell Atlas是HPA（Human Protein Atlas）工作的一部分，本文工作也把细胞周期相关异质性表达蛋白整合到HPA中，这项工作有助于进一步了解细胞异质性。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03232-9
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参考文献
1. Mahdessian M et al. Spatiotemporal dissection of the cell cycle with single-cell proteogenomics.Nature.2021,590, 649-654.